碧水东流至此回。

两岸青山相对出，

孤帆一片日边来。

这首诗原意是：天门山被长江从中一分为二，碧绿的江水向东流到这儿突然转了个弯儿，向北流去。两岸的青山相互对峙，两座山扑入眼帘。一只小船从水天相接的远处悠然驶来，好似来自天边。读到这里，人们不由地赞叹李白就像是一个天才的摄影师，他以自己的视角，展现了“人在画中游”的美好情境。尤其是后两句诗，让我们体会到一幅动态的画面：李白正站在船头仰望眼前的美景，当船慢慢靠近山时，他发现似乎有两座庞大的山挤压过来，而且远处的一只小船也慢慢驶过来。这里，山和远处的小船向人“靠近”，实质上是相对人而言，山和小船的位置随时间的变化而变化了。我们描述一个物体的运动，首先要选定某个物体作参考，观察物体相对于参考物体的位置随时间的变化。这个参考物体就是参考系。按《望天门山》的意境，李白所乘坐的船向山和远处的小船慢慢靠近，当他在仰望山和小船时，会无意地以自己为参考系；又因与山、远处的小船的位置发生变化，所以李白会产生山和远处的小船向自己靠近的感觉。很明显，在岸边的人看来，若是以山为参考系，则是李白及其所乘坐的船在运动（图1-1）。

图1-1 天门中断楚江开

无独有偶，中华传统文化中有很多描述有意或无意地渗透了“运动是相对的”的概念，这就不可避免地涉及参考系概念了。较早的如东汉时期的著作《尚书纬·考灵曜》中记载的：“地恒动不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行不觉也。”其意为：地球在不停地运动，而人却感觉不到，这就好比人在一艘大船里闭窗而坐，船在行驶而人无法察觉。这句话充分反映了运动与参考系的关系，要确定物体的运动必须要有参考系，人坐在地上以地面为参考系，人是静止的，如同人在封闭的船舱里以船舱壁为参考系感觉不到船的运动。

又如唐朝词作《摊破浣溪沙·五里滩头风欲平》：

五里滩头风欲平，

张帆举棹觉船轻。

柔橹不施停却棹，

是船行。

满眼风波多闪灼，

看山却似走来迎。

子细看山山不动，

是船行。

这首词的意思是：船夫经过一场与狂风恶浪的搏斗到了五里滩，逆风和旋风的风势将要平息，大家得以扯起帆来，此时再举桨摇船觉得轻松、省力不少。于是既不使用划板、也停止摇桨，让船自己前行。这种情况下，船夫们心情舒畅，不由得欣赏起周围的景色，微风轻拂，河面波光粼粼，两岸的山似乎迎面而来欢迎大家，但定睛一看，山并没有运动，只是船在航行罢了。这是一首出自甘肃敦煌莫高窟藏经洞的民间抒情小词，这首词事实上在船夫驾驶帆船前进的情景中描述了运动的相对性，即运动状态与参考系的选取有关：船夫先是以水面为参考系得出“船在行驶”的判断，接着又以船为参考系得出“山在动”的结论，待仔细观察后发现 “山未动而船在动”，这时的参考系已然转化为山。

事实上，很多古诗词给我们展现的都是一幅动态的美景，通过描写物体的相对运动，让我们有种身临其境的感觉，这也跟参考系的选取有关。

北宋词人张先（990 —1078）的《天仙子·水调数声持酒听》中的“沙上并禽池上暝，云破月来花弄影”，后句前半段写月亮破云而出，后半段描述花在忽明忽暗的月光下形成的影子摇曳不定。其中“月来”以云为参考系观察月亮，“花弄影”所选的参考系则又变成了地面。诗人从生活经验出发，通过变换参考系，写出了既自然美妙又有物理学情趣的优美诗句。

宋代著名词人柳永（约984—约1053）是婉约派的代表人物，他善于将男女之间的思念之情写得缠绵悱恻、令人动容。在其名作《蝶恋花·伫倚危楼风细细》中这样写道：“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”原意是说：为了她，自己变得消瘦与憔悴，衣服变得越来越宽松也不后悔。若从物理学的视角去分析，衣带为何渐宽？原因在于人憔悴了。以人为参考系，衣带变宽松了；以衣带为参考系，则是人变瘦了！孰是孰非，一目了然啊！

再如，清朝诗人孙原湘（1760—1829）的《西陵峡》：

一滩声过一滩催，

一日舟行几百回。

郢树碧从帆底尽，

楚台青向橹前来。

郢（yǐng）是中国古代楚国的都城，在今湖北省荆州市境内，现在长江大学文理学院门前的那条道路，就叫作郢都路。这里的“郢树”与“楚台”对仗工整，都是指西陵峡岸边的景物。诗人以自己所坐的船为参考系，把江边的树描绘成从帆底退去，把面前的楚台描述成扑向船橹（lǔ）一样。正是诗人以船为参考系，才有了动、静物体颠倒过来的感觉。这样既写出了船行至西陵峡诗人独特的感受，又给读者以新奇的印象。

毛泽东（1893—1976）主席在《七律二首·送瘟神》中写道：“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”其中描述的现象可是很有科学根据的。若以地面为参考系，人坐在地面上，因为处于静止状态，所运行的距离是零；若以地轴为参考系，因为地球在自转（地球绕地轴做圆周运动），那坐在地面上的人就是在运动了。赤道附近地球的直径约为12 756 千米，赤道周长约为40 075 千米，为8 万多里。坐在赤道上某一点不动，地球转一圈（即一天时间）就是8万里。因此说“坐地日行八万里”所描述的就是一个科学事实。

其实参考系原理不仅仅教会我们理性地看待客观现象，也教会我们许多道理，如秦国丞相吕不韦（前292—前235 年）集合门客编撰的道家名著《吕氏春秋·察今》中的“刻舟求剑”（图1-2）的故事。船在行驶过程中，一个楚国人的宝剑不慎坠入江中，但他一点儿也不着急，只是在船舷上刻了一个记号，试图标记宝剑掉落的地点，待船靠岸后再根据此记号来打捞。这则短小有趣、言简意赅的寓言其人文意义在于告诫人们不能片面、静止、狭隘地看待问题，其科学意义在于启示人们要选择合适的参考系——以岸为参考系当能定位剑的下沉处，而剑掉落江中后船相对于剑在运动，以船为参考系难以正确标记剑的方位。

图1-2 刻舟求剑

物理学原理

自然界中所有的物体都在不停地运动，绝对静止的物体是没有的，在观察一个物体的位置及位置的变化时，总要涉及和其他物体的相互关系，所以要选取其他物体作为标准。选取的标准物不同，对物体运动情况的描述也就不同。不同的描述反映了物体之间的不同关系，这就是运动的相对性。为了描述物体的运动而选的标准物就叫作参考系。参考系的选择是任意的，但不同的参考系对同一物理运动状况的描述是不同的。因此在讲述物体的运动状况时，必须指明对什么参考系而言。通常按照问题的实际情况选取适当的参考系，如当“神舟十一号”飞船从地球表面发射升空时，宜选用地球作参考系；当“嫦娥三号”月球探测器成为绕月球运动的人造卫星时，宜选用月球作参考系。为了定量描述物体的位置，需要在参考系中设置坐标系，简称参考坐标系。在物理学中，为了能对物体运动作定量描述，常直接引用参考坐标系。

实践与应用

在无风的日子，从飞机上往地面投掷物体，飞机上的人看到物体沿直线下落，而地面上的人看到物体是沿曲线下落的，这就是不同参考系所产生的不同效应。很明显，飞机上的人和地面上的人分别以飞机和地面为参考系来观察被投掷物体的运动，从而得到了完全不同的结论。

有没有参考系是绝对静止的呢？答案是，没有！绝对静止的参考系是不存在的，自然界所有惯性参考系是平权的，就是说没有哪一个参考系比其他参考系更特殊。但是100 多年前，人们可不这么认为。当时人们认为宇宙空间存在一种绝对静止的参考系——以太，以太无所不在，没有质量，绝对静止。以太充满整个宇宙，光可在其中传播。太阳光照射到地球，光的速度是多少呢？假设太阳静止在以太系中，由于地球在围绕太阳公转，相当于“以太风”以速率v 向地球吹来，当“以太风”的方向与阳光传至地球的传播方向一致或相反时，地球上光速分别达到最大c+v 和最小c-v，如此分析，一天中不同的时刻在地球上同一位置测量的光速是不一样的，或者同一时刻在地球上不同位置测量的光速也是不一样的。如果光是地球上的光源发出来的，该光源相对于以太有一个速度，该速度与光相对于光源的速度合成即光在以太中的传播速度。若改变光源的方位，一束光相对于光源的方向也发生变化，它相对于以太的速度随之改变。但是，1881～ 1884 年，两位美国科学家迈克耳孙（A. A. Michelson，1852—1931）和莫雷（E. Morley，1838—1923）为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克耳孙- 莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上说明以太并不存在。后来又有许多实验支持了这一结论。而且根据麦克斯韦方程组分析，光的传播不需要一个“绝对静止”的参考系，因为该方程里的电容率和磁导率都是无方向的标量，所以在任何参考系里光速都是不变的。爱因斯坦（A. Einstein，1879—1955）大胆抛弃了以太学说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。

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